讓機(jī)器人擁有真實(shí)的觸感 3D打印助力人造皮膚研究

來(lái)源： Regenovo

【導(dǎo)讀】復(fù)旦大學(xué)武培怡教授在Materials Horizons上發(fā)表了一種利用3D打印技術(shù)制造的人工皮膚，使用捷諾飛研發(fā)的生物3D打印機(jī)，通過(guò)刺激響應(yīng)性水凝膠的體積相變行為將外界刺激轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，加強(qiáng)水凝膠類(lèi)仿生皮膚的傳感功能，為人造皮膚的研究提供了一種極具潛力的方法。

過(guò)去幾十年內(nèi)，模擬人體皮膚寬量程感官功能和強(qiáng)拉伸性能的柔性電子器件層出不窮。這類(lèi)被稱為“人造皮膚”的器件可以感知溫度、壓力、應(yīng)力、震動(dòng)和生物標(biāo)記物并將其轉(zhuǎn)化為可量化的電信號(hào)，為醫(yī)療保健、可穿戴設(shè)備和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域提供了新的機(jī)遇。

復(fù)旦大學(xué)武培怡教授在Materials Horizons上發(fā)表了一種利用3D打印技術(shù)制造的人工皮膚，通過(guò)刺激響應(yīng)性水凝膠的體積相變行為將外界刺激轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，加強(qiáng)水凝膠類(lèi)仿生皮膚的傳感功能，為人造皮膚的研究提供了一種極具潛力的方法。

圖1. 網(wǎng)格水凝膠材料與聚乙烯材料相結(jié)合形成的人造皮膚

由于“電子皮膚”無(wú)法達(dá)到人造皮膚材料低模量、高機(jī)械適應(yīng)性、透光性等要求，科學(xué)家們提出了“離子皮膚”的概念：使用同時(shí)具有生物相容性和離子導(dǎo)電性的水凝膠作為人造皮膚的材料。

離子皮膚在生理和機(jī)械性能上都比電子皮膚更接近人體皮膚，但其傳感性能仍有缺陷。
武教授的團(tuán)隊(duì)使用的PDMA-C18水凝膠具有自愈的能力、對(duì)曲面的順應(yīng)性以及對(duì)壓力的高敏感度。
他們利用3D打印技術(shù)將這種材料制成了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的離子導(dǎo)電層，并在兩層水凝膠中加入聚乙烯薄膜制成的絕緣層，形成一個(gè)電容器（如圖1），提升了離子皮膚產(chǎn)生的電信號(hào)。

在打印過(guò)程中，水凝膠材料先在料筒中被加熱并保持在45℃達(dá)一小時(shí)以上，隨后通過(guò)一根0.41毫米直徑的平頭針頭以6mm/s的速度擠出在10℃的打印平臺(tái)上。測(cè)試證明網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的水凝膠與實(shí)心結(jié)構(gòu)的水凝膠沒(méi)有流變性能的差異，不會(huì)改變?nèi)嗽炱つw的延展性。

圖2. 由3D打印制造的帶有亞毫米級(jí)別網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的水凝膠材料

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)起到了放大皮膚形態(tài)變化的作用，加強(qiáng)了人造皮膚對(duì)形變和應(yīng)力的感知能力。
圖3對(duì)比了具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的水凝膠材料和實(shí)心結(jié)構(gòu)水凝膠材料在不同刺激下產(chǎn)生的電信號(hào)。
在低于1kPa的范圍內(nèi)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)水凝膠的信號(hào)靈敏度是實(shí)心結(jié)構(gòu)水凝膠的信號(hào)靈敏度的五倍。
并且和其他文獻(xiàn)相比，僅有含微結(jié)構(gòu)的PDMS材料的靈敏度可以與這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相媲美。
當(dāng)溫度低于27℃時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的信號(hào)相去無(wú)幾，而當(dāng)溫度大于27℃時(shí)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的信號(hào)隨著溫度逐步上升，甚至能達(dá)到實(shí)心結(jié)構(gòu)的六倍。
這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均證明了3D打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)大幅提升了離子皮膚的傳感靈敏度。

圖3. 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)水凝膠在不同條件產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)比

為了進(jìn)一步展現(xiàn)這種人造皮膚感知肢體運(yùn)動(dòng)的能力，作者還將水凝膠固定在手指關(guān)節(jié)上以檢測(cè)關(guān)節(jié)的彎曲。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不僅再次證明了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的水凝膠能產(chǎn)生更高的電信號(hào)，還證明了在手指彎曲過(guò)程中產(chǎn)生的電信號(hào)可以在手指伸直后完全恢復(fù)，具有可逆的重復(fù)測(cè)試的能力。

綜上，這項(xiàng)研究利用3D打印技術(shù)制作了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的水凝膠，并通過(guò)將其制作成電容器的結(jié)構(gòu)，提出了保留離子皮膚材料特性并提升傳感能力的方法，為未來(lái)的人機(jī)交互和軟體機(jī)器人等研究豐富了手段。

圖4. 人造皮膚對(duì)肢體動(dòng)作的感知

本文采用捷諾飛研發(fā)的生物3D打印工作站Bio-Architect® WS對(duì)含有微結(jié)構(gòu)的水凝膠材料進(jìn)行打印。Bio-Architect® WS在不同軸向均能實(shí)現(xiàn)高精度的3D打?。╔/Y軸1μm，Z軸1μm），能夠輕松實(shí)現(xiàn)文中亞毫米級(jí)別結(jié)構(gòu)的打印任務(wù)。

多種可供選擇的打印噴頭能夠針對(duì)不同打印材料進(jìn)行溫度控制，溫控范圍覆蓋-25℃-260℃，確保打印材料以最合適的相態(tài)進(jìn)行打印，降低如文中所列舉的高分子水凝膠等材料的擠出難度。

業(yè)內(nèi)獨(dú)有的增壓噴頭能夠?qū)崿F(xiàn)6MPa的高壓輸出，實(shí)現(xiàn)高粘度材料的擠出打印。
強(qiáng)大的軟件功能為您自由規(guī)劃打印路徑，隨意設(shè)計(jì)和調(diào)整需要打印的微結(jié)構(gòu)。

圖5. 生物3D打印工作站Bio-Architect® WS